Šablona pro dp/bp prÁce - zcu.cz · 2020. 7. 16. · pády u starší populace jsou vážný...
TRANSCRIPT
ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI
FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ
KATEDRA TECHNOLOGIÍ A MĚŘENÍ
DIPLOMOVÁ PRÁCE
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob
Bc. Jan Záruba 2014
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
Abstrakt
Diplomová práce se zabývá detekcí pohybu osob pomocí 3D akcelerometru a 3D
gyroskopu. Teoretická část shrnuje dostupné metody pro detekci pohybu osob. Dále jsou
popsány možnosti použití detektorů pohybu osob v oblasti medicíny, sportu, herních ovladačů
a navigací. Praktická část obsahuje návrh a realizaci nositelného bezdrátového modulu
s akcelerometrem a gyroskopem. Součástí praktické části je software pro detektor pohybu
osob, který vyhodnocuje aktivitu, orientaci a pády. Součástí práce je CD obsahující program
pro vyhodnocení a mikrokontrolér.
Klíčová slova
Akcelerometr, gyroskop, nositelný, bezdrátový, Bluetooth, detekce pohybu, detekce
aktivity, detekce pádu, algoritmy
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
Abstract
This thesis deals with the personal movement detection by 3D accelerometer and 3D
gyroscope. Theoretical part summarizes available methods for the personal movement
detection. There are described possibilities how to use the motion detection in medical
science, sport, game controllers and navigations. Practical part contains the draft and
the realization of wearable wireless module with the accelerator and the gyroscope. It includes
also the software for the personal movement detection that assesses activation, orientation and
fallings. In the thesis, there is attached the CD containing the program evaluation and
the microcontroller.
Key words
Accelerometer, gyroscope, wearable, wireless, Bluetooth, movement detection, activity
detection, fall detection, algorithm
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně, s použitím odborné
literatury a pramenů uvedených v seznamu, který je součástí této diplomové práce.
Dále prohlašuji, že veškerý software, použitý při řešení této diplomové práce, je legální.
............................................................
podpis
V Plzni dne 12.5.2014 Bc. Jan Záruba
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
Poděkování
Tímto bych rád poděkoval vedoucímu diplomové práce Ing. Janu Řebounovi, Ph.D.
za cenné profesionální rady, připomínky a metodické vedení práce.
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
7
Obsah
OBSAH ................................................................................................................................................................... 7
ÚVOD ..................................................................................................................................................................... 8
1 METODY DETEKCE POHYBU OSOB ..................................................................................................... 9
1.1 AKCELEROMETRY ..................................................................................................................................... 9 1.1.1 Princip akcelerometrů...................................................................................................................... 9 1.1.2 Parametry akcelerometrů .............................................................................................................. 11 1.1.3 Shrnutí ............................................................................................................................................ 11
1.2 GYROSKOPY ........................................................................................................................................... 11 1.2.1 Princip gyroskopů .......................................................................................................................... 12 1.2.2 Parametry gyroskopů ..................................................................................................................... 13 1.2.3 Shrnutí ............................................................................................................................................ 13
1.3 MAGNETOMETRY .................................................................................................................................... 14 1.3.1 Princip magnetometrů.................................................................................................................... 15 1.3.2 Parametry magnetometrů .............................................................................................................. 15 1.3.3 Shrnutí ............................................................................................................................................ 15
1.4 GPS ........................................................................................................................................................ 16 1.4.1 Princip GPS ................................................................................................................................... 16 1.4.2 Parametry GPS .............................................................................................................................. 17 1.4.3 Shrnutí ............................................................................................................................................ 17
1.5 PIR SENZOR ............................................................................................................................................ 17 1.6 KAMERY ................................................................................................................................................. 17
2 POUŽITÍ DETEKTORŮ POHYBU OSOB .............................................................................................. 18
2.1 MEDICÍNA ............................................................................................................................................... 18 2.2 SPORT ..................................................................................................................................................... 21
2.2.1 Krokoměry ..................................................................................................................................... 21 2.2.2 Monitorování aktivit ....................................................................................................................... 21
2.3 HERNÍ OVLADAČE ................................................................................................................................... 26 2.4 NAVIGACE .............................................................................................................................................. 28
3 POŽADAVKY NA DETEKCI POHYBU OSOB ...................................................................................... 29
4 NÁVRH MODULU PRO DETEKCI POHYBU OSOB ........................................................................... 30
4.1 SENZOR POHYBU ..................................................................................................................................... 30 4.2 KOMUNIKAČNÍ ROZHRANÍ ...................................................................................................................... 33 4.3 MIKROKONTROLÉR ................................................................................................................................. 34 4.4 NAPÁJENÍ................................................................................................................................................ 36
4.4.1 Baterie ............................................................................................................................................ 36 4.4.2 Nabíjecí obvod ............................................................................................................................... 36 4.4.3 Napájecí obvod .............................................................................................................................. 39
4.5 SCHÉMA ZAPOJENÍ .................................................................................................................................. 40 4.6 NÁVRH PLOŠNÉHO SPOJE ........................................................................................................................ 40
5 SOFTWARE ................................................................................................................................................ 42
5.1 INICIALIZACE .......................................................................................................................................... 42 5.2 DETEKCE POHYBU .................................................................................................................................. 42 5.3 SIGNALIZACE .......................................................................................................................................... 45 5.4 KOMUNIKACE ......................................................................................................................................... 45
6 REALIZACE A VYHODNOCENÍ ............................................................................................................ 47
ZÁVĚR ................................................................................................................................................................. 48
SEZNAM LITERATURY A INFORMAČNÍCH ZDROJŮ ............................................................................ 50
PŘÍLOHY ............................................................................................................................................................... I
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
8
Úvod
Pády u starší populace jsou vážný zdravotní problém, který může způsobit kritické
následky jako zlomeniny kyčle apod. Tyto zranění většinou doprovází omezení pohybu nebo
bezvědomí. V tomto případě si lidé nejsou schopni zavolat sami pomoc, a pokud žijí
osamoceni, mohou být objeveni až za několik dní. Cílem této práce bylo navrhnout a vytvořit
modul, detekující pády s možností přivolání pomoci.
Teoretická část diplomové práce je zaměřena na problematiku detektorů osob. První část
je rozdělena na metody detekce osob a použití detektorů pohybu osob. K detekci pohybu osob
můžeme využít několik metod, které pracují na přímém kontaktu s měřenou osobou nebo
pouze vizuálně. Vizuálně pracují například kamery nebo PIR senzory. Práce je převážně
zaměřena na přímé měření akcelerometry a gyroskopy. Další metody pro detekci osob mohou
být magnetometry nebo GPS.
Druhá teoretická část se zabývá použitím akcelerometrů a gyroskopů v oblasti detekcí
pohybu osob. Zmiňované senzory naleznou uplatnění převážně v medicíně, výzkumu
a sportu. V oblasti spotřební elektroniky umožnují ovládání gesty, změnou polohy
či poklepáním.
Praktická část obsahuje návrh detektoru pohybu osob s využitím akcelerometru
a gyroskopu. Detektor je nositelné zařízení, které přenáší data bezdrátovou technologií
Bluetooth®. V druhé praktické části je popsán program pro detektor pohybu osob, který
pomocí algoritmů vyhodnocuje pád, změnu orientace a pohybovou aktivitu. Při vyhodnocení
pádu nebo stisknutí tlačítka alarmu je automaticky odeslána zpráva do terminálu. Terminál
není součástí této práce. V poslední části této práce je ukázka programu, který zobrazuje stavy
odeslané detektorem.
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
9
1 Metody detekce pohybu osob
Tato část popisuje metody, kterými lze detekovat pohyb osob a nastiňuje principy
fungování jednotlivých snímačů detekující pohyb.
1.1 Akcelerometry
Akcelerometrické senzory jsou určeny k měření zrychlení sil, které mohou být statické
nebo dynamické. Statická síla působí na každý objekt na Zemi jako gravitační zrychlení
Země. Při měření statického zrychlení můžeme zjistit úhel vychýlení vzhledem k zemskému
povrhu. Takto je možné detekovat změnu náklonu. Druhým typem je dynamické zrychlení,
které se skládá ze samotného zrychlení tělesa a z gravitačního zrychlení. Dynamické zrychlení
je způsobeno pohybem nebo vibrováním akcelerometru. [1]
1.1.1 Princip akcelerometrů
Akcelerometry přeměňují fyzikální veličinu zrychlení (změnu pohybu) na měřitelný
elektrický signál. Tři základní principy akcelerometrů:
Kapacitní akcelerometry
Na Obr. 1.1 je znázorněn základní princip kapacitního akcelerometru. Seismickou hmotu
obklopují dvě elektrody, které tvoří dvě kapacity. Seismická hmota je připojena pružinami
k substrátu a při pohybu dochází ke změně vzdálenosti desek. Vzdálenost desek od elektrod
ovlivňuje velikost kapacity (na jedné roste a na druhé klesá). Tento princip je základem
pro složitější uspořádání např. hřebenové, které je použité v integrovaném kapacitním
akcelerometru. [2]
Obr. 1.1 Princip kapacitního akcelerometru (převzato z [2])
Pohyb
hmoty Elektrody
Seismická
hmota
Sub
strá
t
Rám s integrovanými
elektrodami
Rám s integrovanými
elektrodami
Elektrody
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
10
Piezoelektrické akcelerometry
Aktivním prvkem senzoru je piezoelektrický materiál, který je pevně spojen se základnou
senzoru a seizmickou hmotou. Obr. 1.2 je znázorněn směr pohybu hmoty, který vyvolá sílu
působící kolmo na piezokrystal. Velikost síly odpovídá vyvolanému zrychlení seizmické
hmoty a způsobuje napětí v elektrodách. Napětí v elektrodách je úměrné generované vnější
síle tedy i zrychlení seizmické hmoty. [3]
Obr. 1.2 Princip piezoelektrického akcelerometru (převzato z [2])
Tepelné akcelerometry
Základním principem tepelného akcelerometru je přenos tepla v klidném a proudícím
plynu. Na středu akcelerometru se nachází zdroj tepla a na okraji čtyři teplotní snímače. Zdroj
tepla ohřívá plyn, který stoupá vzhůru a studený klesá dolů. Pokud se snímač nepohybuje,
je teplota na všech teplotních snímačích stejná (Obr 1.3 vlevo). Působením zrychlení
na akcelerometr, bude horký plyn vychýlen blíže k teplotnímu snímači (Obr. 1.3 vpravo),
který vyvolá změnu teploty odpovídající zrychlení v daném směru. [4]
Obr. 1.3 Princip tepelného akcelerometru (převzato z [4])
Seismická
hmota
Piezokrystal Elektrody
Sm
ěr p
oh
yb
u h
mo
ty
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
11
1.1.2 Parametry akcelerometrů
Důležitým parametrem je měřící rozsah akcelerometru. Pokud uvažujeme jen měření
náklonu, způsobené zemskou gravitací, bude dostatečný měřící rozsah ± 1,5 g. Při měření
pohybu auta nebo letadla, bude zapotřebí ± 2 g a pro měření s neočekávanými starty nebo
zastavení může být zapotřebí ± 5 g a více. Akcelerometry mohou mít analogové nebo digitální
výstupy. U analogových výstupů je výstupem spojité napětí úměrné zrychlení. Digitální
akcelerometry obvykle využívají šířkovou pulzní modulaci (PWM) nebo sběrnici např. I2C.
Rychlost změn, které je akcelerometr schopen vyhodnotit, udává šířka pásma. Při malých
změnách je dostatečná šířka pásma 50 Hz, u rychlejších změn bude zapotřebí šířka pásma
několik stovek Hz. Dalšími parametry jsou počet os (1D, 2D nebo 3D), teplotní rozsah,
odolnost proti rušení a citlivost akcelerometru, která souvisí se spotřebou akcelerometru.
1.1.3 Shrnutí
Akcelerometry je možné měřit zrychlení, náklon, sklon, rotaci, vibrace, detekci kolize
a gravitaci. Starší akcelerometry byly drahé a velkých rozměrů, to se ale změnilo příchodem
MEMS (mikro - elektromechanických - systémů).
Piezoelektrické akcelerometry nelze použít pro frekvence menší než 0,1 Hz, tedy
statického zrychlení. Vygenerovaný náboj se vybije vnitřním odporem a svody.
Tepelné akcelerometry mají menší citlivost (1% změny výstupního signálu/g)
než piezoelektrické a kapacitní akcelerometry, ale mají menší náchylnost
k elektromagnetickému a elektrostatickému rušení. Další výhoda je, že nemají pohyblivé ani
mechanické části. Proto najdou uplatnění například v automobilech.
Kapacitní akcelerometry jsou dnes nejpoužívanějším typem. Vyrábějí se převážně
MEMS technologií, která umožňuje vytvořit 3D akcelerometr malých rozměrů.
1.2 Gyroskopy
Gyroskop je zařízení používané k měření orientace objektu. Vynalezl ho francouzský
vědec Jean Bernard Leon Foucault roku 1852. První uplatnění našel v orientaci lodí v mlze,
řízení balistických střel a později v navigaci letadel.
Obecně gyroskopem může být jakékoliv těleso, které se snaží zachovat svou osu rotací
díky zákonu zachování hybnosti. Tento jev se nazývá gyroskopický efekt, ke kterému
dochází, pokud je hmotnost setrvačníku soustředěná po obvodu. Gyroskop může být
například točící se kolo od motorky nebo motocyklu.
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
12
1.2.1 Princip gyroskopů
Prvními gyroskopy byly mechanické. Roku 1960 se představily pro komerční použití
laserové gyroskopy využívající laser a nyní jsou nejpoužívanější gyroskopy vytvořené MEMS
technologií. [5]
Mechanické gyroskopy
Mechanické gyroskopy využívají fyzikální zákon zachování momentu hybnosti.
Na obr. 1.4 je znázorněn mechanický gyroskop se třemi stupni volnosti. Ve středu gyroskopu
se nachází setrvačník, který se otáčí konstantní rychlostí kolem své osy v inerciálním
systému. Pokud natočíme gyroskop, změní se poloha mezi setrvačníkem a vnějším ramenem
o úhel natočení. Změna orientace byla vyhodnocena pohybem kroužků. U starší verze
fyzickým měřením zářezů a u novějších provedení laserovém měřením vzdáleností. [5]
Obr. 1.4 Mechanický gyroskop se třemi stupni volnosti (převzato z [6])
Optické gyroskopy
Mezi optické gyroskopy patří kruchový laserový gyroskop (RLG, ring laser gyroscope).
RLG pracuje na základě měření časového rozdílu příchodu laserového paprsku na detektor.
Ze zdroje laserové záření je vysílán signál různými směry po kruhové dráze (optickým
vláknem) nebo trojúhelníkové (při použití zrcátek). Při pohybu paprsku se mění fázový posun,
který je detekován na přijímači viz obr. 1.5. [7]
Obr. 1.4 Mechanický gyroskop se třemi stupni volnosti (převzato z [7])
rám osa rotace
výkyvný rám rotor
čtecí senzor
zrcadlo zdroj laserového
záření
zrcadlo
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
13
MEMS gyroskopy
MEMS gyroskopy pracují na základě deformace vibrující hmoty vzhledem k otáčení
objektu. Pokud se vibrující hmota začne otáčet kolmo ke směru vibrující hmoty, začne
vznikat na vibrující část Coriolisova síla (viz obr. 1.5). Tato síla je úměrná úhlové rychlosti
otáčení senzoru. Působící síla je vyhodnocena podle typu MEMS gyroskopu. U gyroskopů
s označením „tuning fork gyroscope“ dochází k ohýbání vidlice. „Vibrating wheel“ gyroskop
obsahuje vibrující kolečko, které se při změně orientace senzoru nakloní a způsobí změnu
kapacity. Další používaný gyroskop je piezoelektrický, u kterého vzniká napětí při deformací
hmoty. [8]
Obr. 1.5 Coriolisova síla (převzato z [8])
1.2.2 Parametry gyroskopů
Důležitým parametrem gyroskopů je měřící rozsah, který se pohybuje od desítek
až po stovky stupňů za sekundu. Dalšími parametry jsou rozlišení a citlivost, která je závislá
na teplotě. V poslední řadě napájecí napětí a odebíraný proud v klidovém režimu
i pohotovostním. Většina gyroskopů má funkci self-test, při které lze ověřit funkčnost
gyroskopu bez nutnosti fyzického pohybu gyroskopu.
1.2.3 Shrnutí
Přesnost u mechanických gyroskopů je závislá na konstantní rychlosti setrvačníku, který
je zapotřebí pohánět. Použití mechanických gyroskopů je energeticky náročné a další
nevýhodou je hmotnost, velikost a komplikované mechanické řešení.
Optické gyroskopy mají výhodu vysoké přesnosti, menší hmotnosti řádově stovky gramů
a jsou bez pohyblivých mechanických částí. Přesnost lze zvýšit např. délkou optického
vlákna. Nevýhodou je energetická náročnost, cena a detekce pouze jedné osy. Díky vysoké
přesnosti najdou uplatnění pro vojenské aplikace.
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
14
MEMS gyroskopy jsou velmi malé a málo energeticky náročně. Vyrábějí se v sériových
výrobách při nízkých nákladech s malými rozměry tak, aby vyhovovaly na trhu spotřební
elektroniky. Využití naleznou především v mobilních telefonech pro natočení obrazu,
v automobilech v systému stabilizace řízení nebo pro aktivaci airbagů při převrácení.
1.3 Magnetometry
Magnetometry obecně měří jakékoliv magnetické pole velikostí spadající do rozsahu
použité součástky. Téměř výhradně se používají pro měření magnetického pole Země.
Z naměřených údajů lze vypočítat úhel odklonu od severu, tedy azimut. Obr. 1.6 zobrazuje
3D vektor magnetického pole He v libovolném bodě na Zemi. Vektory Hex a Hey jsou
rovnoběžné a vektor Hez směřuje do středu Země.
Obr. 1.6 Vektor magnetického pole Země (převzato z [9])
Velikost měřeného pole je závislé na místě měření. Magnetický a geografický pól
se neshoduje a jeho odchylka je označena deklinace). Azimut určuje úhel a úhel
(inklinace) mezi vektorem magnetického pole He a vektorem Hez, směřující do středu
Země. Velikost Hez na rovníku je rovna 0° a na rovníku se blíží ±90°. [9]
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
15
1.3.1 Princip magnetometrů
Magnetometry jsou založeny na principu měření magnetického pole. K měření je možné
využít magnetorezistivního jevu, který je založen na změně odporu magnetického materiálu
při změně působícího magnetického pole.
K měření lze využít například tři snímače magnetického pole ve formě Wheatstonových
můstků (viz Obr. 1.7) složených z rezistorů z magnetorezistivního materiálu. Každý můstek
je orientován ve směru jedné měřící osy (podle Obr. 1.6 ve směru Hex, Hey a Hez). Kalibrace je
prováděna cívky OFF-XY, OFF-Z, SR.
Obr. 1.7 Příklad vnitřní struktury magnetometru (převzato z [9])
1.3.2 Parametry magnetometrů
Základní parametry magnetometrů jsou citlivost, rozsah měřitelných polí a maximální
offset. Hlavním parametrem je počet měřených os a možná korekce výstupu. U digitálního
magnetometru rozhraní výstupu, které bývá I2C a přesnost A/D převodníku.
Dalšími parametry jsou typické vlastnosti integrovaných obvodů jako např. napájení,
teplotní stabilita apod.
1.3.3 Shrnutí
Magnetometry slouží k měření magnetického pole a lze jej použít jako snímače orientace.
Pro snímání orientace je důležité kompenzovat výchylku od rovnovážné polohy snímače
s povrchem Země. Ke kompenzaci je možné využít akcelerometru, který je schopen měřit
orientaci k Zemskému povrchu. Magnetometry jsou citlivé na všechny materiály a zařízení,
které deformují magnetické pole Země. Tyto chyby můžeme eliminovat odstraněním
předmětů z blízkosti snímače (pravidlem je dvojnásobek velikosti magnetometru).
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
16
I přes tyto problémy dosahují magnetometry přesnosti na desetiny stupně a na rozdíl
od gyroskopů se jejich chyba postupem času nezvětšuje.
1.4 GPS
GPS (Global Positioning System) je družicový navigační systém, vyvinutý
a provozovaný americkým ministrem obrany. GPS umožňuje kdekoliv na zemi, moři
a ve vzduchu určit trojrozměrně jejich polohu, rychlost a čas.
1.4.1 Princip GPS
GPS se skládá ze tří částí: vesmírný, řídící a uživatelský segment. Vesmírný segment
se skládá z minimálně 24 operačních družit, které obíhají ve výšce 20 200 km nad povrchem
Země na 6 kruhových drahách se sklonem 55° (viz Obr. 1.8). Satelity oběhnou Zemi
za 12 hodin a jsou rozmístěny tak, aby pokrylo uživatele vždy 6 družit kdekoliv na světě.
Satelity neustále vysílají svojí pozici a časový údaje. [10]
Obr. 1.8 Oběžné dráhy družic (převzato z [11])
Řídící segment se skládá z hlavní řídící stanice, monitorovacích stanic a pozemních antén
umístěné po celém světě. Monitorovací stanice shromažďují informace od každého satelitu
a zasílá je zpět do hlavní řídící stanice, která vypočítá přesné satelitní oběžné dráhy.
Aktualizované informace se zpětně odesílají přes pozemní antény do satelitů.
Uživatelský segment se skládá z přijímače a antény, které umožní uživatelům přijímat
GPS signál a vypočítat přesnou polohu, rychlost a čas. [10]
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
17
1.4.2 Parametry GPS
Hlavním parametrem GPS přijímačů je citlivost, použitý chipset a periférie pro připojení
externího zařízení. Počet kanálů je parametr, který udává maximální počet současné
připojených satelitů. Dalším parametrem je podpora DGPS (diferenciální GPS), která
umožňuje zpřesnění výsledků měření. V Evropě se jedná o EGNOS (European Geostationary
Navigation Overlay Service) a udává informace o stavu satelitů (odchylka drah a atomových
hodin) a parametry pro ionosférický model.
1.4.3 Shrnutí
GPS modul umožňuje pomocí algoritmů a satelitů zjistit přesnou polohou a rychlost
objektu na Zemi. Nevýhoda je nutnost přímé viditelnosti antény modulu a satelitu. V případě
ztracení signálu lze kombinací dalších senzorů (magnetometr, akcelerometr a gyroskop)
dopočítávat trasu objektu, dokud není signál obnoven.
1.5 PIR senzor
Pasivní infračervený senzor (PIR) je elektronický snímač, který měří infračervené (IR)
světlo vyzařující z objektů v jeho zorném poli. PIR senzor se používá pro detekci pohybu
osob, zvířat nebo jiných objektů například v zabezpečovací technice. Pracuje na principu
změny infračerveného záření, kterým můžeme detekovat pohyb. Jaký pohyb, případně kdo
pohyb vykonal detekovat nelze. Další nevýhodou je detekce pohybu pouze v zorném poli
senzoru.
1.6 Kamery
Pomocí kamery lze detekovat pohyb osob a složitými algoritmy vyhodnotit přesný pohyb
osob. V zabezpečovací technice je možné nastavit velikost a citlivost na pohyb objektu, kdy
je zapnuto záznamové zařízení. Další uplatnění naleznou kamery v herním zařízení (např.
Microsoft Kinect), kde jsou detekovaná gesta a pohyby hráčů. Použití kamer pro detekci
pohybu má stejnou nevýhodu jako použití PIR senzorů v pokrytí malé části prostoru.
Výhodou je určení typu pohybu pomocí softwaru.
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
18
2 Použití detektorů pohybu osob
Tato kapitola je zaměřena na úzkou oblast detekce osob využívající akcelerometry
a gyroskopy. Další uplatnění naleznou například v automobilním a leteckém průmyslu.
2.1 Medicína
V následujících podkapitolách jsou uvedené příklady použití akcelerometrů a gyroskopů
v medicíně, které byly popsány v odborných publikacích.
Sledování aktivit osob
Společnost Toshiba vyvinula monitorovací systém běžných aktivit starších lidí, který
je popsán v článku [12]. Systém zaznamenává vnitřní i venkovní aktivity člověka pomocí
chytrého telefonu. Využívá integrované senzory v mobilním telefonu jako je akcelerometr,
mikrofon a dále je možné připojit externí zařízení pomocí Bluetooth® pro sledování životních
funkcí člověka.
Naměřená data jsou odesílána na monitorovací server, který tvoří databázi biologických
údajů a log aktivit. Součástí monitorovacího serveru je detektor anomálií, který
po vyhodnocení události automaticky odesílá e-mail. Na monitorovací server mohou
přistupovat odkudkoliv pečovatelé a příbuzní přes webové rozhraní. Zobrazuje kompletní
historii aktivit a tepové frekvence měřené osoby.
Pomocí akcelerometru jsou vyhodnoceny aktivity jako odpočinek, chůze a běh. S pomocí
mikrofonu jsou vyhodnoceny další činnosti jako je čištění zubů, vysávání, umývání nádobí,
žehlení, holení, fénování, splachování toalety a mluvení.
Testování zařízení probíhalo s 22 jedinci na modelovém obývacím pokoji, kdy každou
činnost dělali 10 s. Testováno bylo také umístění senzoru v kapse u kalhot, náprsní kapse
a na zápěstí. Na zápěstí bylo plánováno zařízení jako nositelný senzor v podobě hodinek.
Z průměrných naměřených hodnot byla úspěšnost u senzoru v kapse kalhot 89,5 %, 93,8 %
u náprsní kapsy a 91,0 % pro zápěstí. To ukázalo nejlepší použití pro náprsní kapsu, ale další
pozice jsou také možné. [12]
Společnost Toshiba vyvinula systém pro sledování celodenních aktivit u starších lidí,
který umožňuje kontrolu zdravotního stavu příbuzným, přátelům a pečovatelům.
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
19
Senzory pro kontinuální sledování srdeční funkce
V současné době stoupá počet pacientů se sníženou funkcí srdce, kteří potřebují
chirurgický zákrok. Současné metody pro monitoring srdce jsou značně omezené.
Elektrokardiografické (EKG) sledování je nejsnadnější metoda pro kontinuální monitorování
srdečních infarktů v průběhu a po operaci, ale postrádá citlivost a specifičnost. Současné
zobrazovací techniky mohou rychle detekovat změny srdeční funkce, ale nevýhodou je jejich
velikost, nutnost použití kvalifikované osoby a nejsou konstruovány na nepřerušený
provoz. [13]
Výzkum popisovaný v článku [13] se zabývá vývojem nových senzorů pro kontinuální
sledování srdečního tepu v průběhu operace a po operaci. První systém využívá 3D
akcelerometry pro měření pohybu epikardiálního povrchu. Druhý systém využívá miniaturní
ultrazvukové měniče upevněné na povrchu srdce, které měří kontrakce srdečního svalu. Oba
systémy byly testovány na zvířatech i člověku a prokázaly svou schopnost poskytovat vysoce
kvalitní měření.
Ultrazvukové sondy poskytují velmi lokální informace, zatímco údaje z akcelerometru
se zdají být spojeny s globální funkcí srdce. Ultrazvukový systém vyžaduje vysokou rychlost
přenosu dat a těžká zpracování, ale výsledky jsou jednoduché pro interpretování. Výpočetní
výkon a přenosová rychlost dat z akcelerometru je poměrně nízká. Optimální zpracování dat
a jejich interpretace z akcelerometru není jednoduchá, ale různé režimy byly testovány
se slibnými výsledky. Oba systémy senzorů s EKG a měřením tlaku jsou zpracovány
v programu vytvořeného v LabView od firmy National Instruments Inc. Všechna data jsou
ukládána a umožňují pak následné zpracování například v programu Matlab nebo LabView.
[13]
Oba snímače jsou připojeny k povrchu srdce během chirurgického zákroku. Cílem
výzkumu je zmenšit velikost snímačů, aby bylo možné hrudník uzavřít a před opuštění
pacienta z nemocnice snímače vytáhnout přes hrudní stěnu a kůži. [13]
Sledování Parkinsonovy choroby
Akcelerometry naleznou další využití například u diagnózy a sledování stavu pacientů
s Parkinsonovou chorobou. Parkinsonova choroba je neurogenerativní porucha projevující
se například třesem ruky, který lze zaznamenávat akcelerometrem. V článku [14] je popsáno
použití s mobilním telefonem iPhone na hřbetu ruky. Zaznamenaná data jsou odesílána
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
20
na server pro následné zpracování a vyhodnocení. Článek [15] navazuje na předchozí a uvádí
výzkum a testování rukavice s integrovaným bezdrátovým 3D akcelerometrem.
Detekce hrbení
Cílem výzkumu byl autistický student, který se nevědomky hrbil. K hrbení docházelo
při skupinových aktivitách, pokud mu nebyla věnována pozornost. Student vykazoval mírnou
skoliózu páteře, způsobenou právě hrbením zad. Učitelé speciální školy byli povinni sledovat
jeho stav a upozornit ho, aby narovnal záda. Jako detektor pohybu byl implementován chytrý
mobilní telefon do trička na zádech (Obr. 2.1). [16]
Obr. 2.1 Tričko se senzorem (převzato z [16])
Mobilní telefon byl vybaven akcelerometrem, kterým je vyhodnocována poloha zad.
Tak to lze detekovat hrbení, úklon, spánek na břiše nebo na zádech. S ohledem možných vlivů
elektromagnetických vln na zdraví byly všechny komunikační funkce vypnuty režimem
letadlo. Vypnutím funkcí bylo docíleno snížení spotřeby mobilního telefonu.
V prvním týdnu testování byl alarm nastaven na 45° (Obr. 2.2 vlevo) a další týden
zpřísněn na 60° (Obr. 2.2 vpravo). Z naměřených výsledků došlo k výraznějšímu zlepšení
při nastavených 45°. Jako alarm byly nejprve použity vibrace telefonu, které měly masážní
efekt, a proto nedocházelo k narovnání. Dalším pokusem byla mírná klasická hudba, která
byla účinnější než vibrace. Nakonec byl jako alarm použit monotónní zvuk kočičího
mňoukání.
Obr. 2.2 Počet detekcí při 45° a při 60° (převzato z [16])
45° 60°
Po
čet
Po
čet
Datum Datum
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
21
Zpětná vazba od učitele ukázala, že s pomocným zařízením docházelo ke zlepšení
pozornosti při studiu a spolupráci se spolužáky. [16]
2.2 Sport
Pomocí akcelerometrů lze měřit zrychlení, podle kterého lze nejlépe měřit energetický
výdej při tělesné aktivitě. V následujících podkapitolách jsou popsány příklady použití
detektorů pohybu v oblasti sportu.
2.2.1 Krokoměry
Krokoměry neboli pedometry jsou mechanické nebo elektronické přístroje měřící počet
kroků. Krokoměr funguje na principu mechanického senzoru detekující krok. Pokud
nastavíme do krokoměru délku kroku, může vypočítat uraženou vzdálenost. Krokoměry
můžeme rozdělit podle vyhodnocujících os na 1D, 2D a 3D.
1D krokoměry využívají mechanické kyvadélko, které spíná kontakt při pohybu v jednom
směru. V tomto případě je nutné mít připnutý senzor na opasku nebo noze. Jedná
se o nejlevnější druh krokoměrů.
2D krokoměry nejsou náchylné na mírný náklon a je tak umožněno použití například
na krku. Tyto krokoměry jsou přesnější od 1D, protože dokáží filtrovat náhodné pohyby těla.
3D krokoměry mohou být umístěny například v baťohu, v kapse nebo na krku. Vyrábějí
se také v podobě digitálních náramkových hodinek. Využívají 3D akcelerometr, který
umožnuje filtraci náhodných pohybů a měřit ve 3 osách. Započtení počtu kroků většinou
dochází až po šestém plynulém pohybu, kdy je naměřeno dostatečné množství dat. [17]
2.2.2 Monitorování aktivit
Na dnešním trhu se nachází mnoho výrobců zabývajících se zařízením pro sledování
fyzických aktivit. Tyto monitorovací zařízení jsou dostupné nejen pro profesionální
sportovce, výzkum, ale i pro běžnou veřejnost. Následující podkapitoly jsou zaměřeny
na výrobky miCoach, Nike+ a ActiGraph. V poslední podkapitole je ukázka analýzy
horolezce.
MiCoach
Produkty s označením miCouch byly vyrobeny firmou Adidas pro monitorování
sportovního tréninku. Samostatné produkty jsou miCoach SMART RUN, miCoach PACER,
miCoach X_Cell a aplikace do mobilních telefonů miCoach.
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
22
Běžecké hodinky miCoach SMART RUN (Obr. 2.3) umožnují měření srdečního tepu,
měření rychlosti, vzdálenosti, kadence a logování trasy. Hodinky využívají akcelerometr, GPS
a senzor srdečního tepu. Součástí hodinek je trénování pomocí obrazových nebo hlasových
zpráv, které jsou přenášeny pomocí Bluetooth® do bezdrátových sluchátek. Další funkcí jsou
hodinky, stopky a 4 GB paměti pro ukládání hudby a naměřených dat. Naměřená data
je možné přenášet pomocí bezdrátového internetového připojení a synchronizovat se serverem
miCoach.com. [18]
Obr. 2.3 miCoach SMART RUN (převzato z [18])
Souprava s miCoach PACER (Obr. 2.4) obsahuje centrální řídící jednotku, monitor
tepové frekvence a krokoměr. Krokoměr s označením Speed Cell zaznamenává celkový čas
tréninku, celkovou uběhnutou vzdálenost, průměrnou i aktuální rychlost, energetický výdej,
tempo a frekvenci kroků. Tento senzor se může připevnit na tkaničky bot, nebo vložit
do podrážky obuvi, která je kompatibilní s přístrojem miCoach. MiCoach PACER
je centrální řídicí jednotka, která vyhodnocuje data z krokoměru a senzoru tepové frekvence.
Na základě vyhodnocených dat dává běžci pokyny pomocí sluchátka. [18]
Obr. 2.4 sada miCoach Pacer: řídicí jednotka, monitor tepové frekvence, krokoměr (převzato z [18])
Další v nabídce produktů je aplikace do mobilního telefonu miCoach MOBILE, která
je dostupná pro iPhone, BlackBerry a Android. Samostatná aplikace pracuje s integrovaným
GPS v mobilním telefonu a zaznamenává vzdálenost, tempo, spálené kalorie a uplynulý čas.
K aplikaci lze připojit miCoach SPEED_CELL™ (Obr. 2.5 vlevo), který zaznamenává údaje
o nejvyšší rychlosti, okamžité rychlosti, celkové vzdálenosti a době trvání zápasu. Jedná
se o podobné zařízení krokoměru, popisované v předchozím odstavci, které je možné
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
23
integrovat do boty kompatibilní s miCoach nebo pomocí spony připevnit na tkaničku. Rozdíl
je, že umožňuje zaznamenávat až 8 hodin měření bez asistence jiného zařízení. Vyhodnocení
je možné provést v mobilním telefonu nebo počítači. Dalším příslušenstvím k mobilní
aplikaci je monitor tepu miCoach HRM2 (Obr. 2.5 vpravo). Zařízení je možné připojit
hrudním pásem, případně na oblečení pro monitor srdečního tepu. Údaje o srdečním tepu
se měří a přenáší frekvencí 1 Hz pomocí bezdrátové technologie Bluetooth®.
Obr. 2.5 miCoach SPEED_CELL™ vlevo, miCoach HRM2 vpravo (převzato z [18])
Novinkou zařízení od firmy Adidas je miCoach X_Cell, které zaznamenává srdeční tep,
zrychlení, výšku skoku, rychlost zastavení i otočky vpravo nebo vlevo. Data jsou získávána
z integrovaného monitoru srdečního tepu, 3D akcelerometru a 3D magnetometru. Kombinací
akcelerometru a magnetometru je možné měřit síly generované ve směru a určit, zda se jedná
o skoky, zrychlení dopředu, dozadu, doprava nebo doleva. Zařízení lze nosit na opasku nebo
pomocí hrudního popruhu, který umožňuje měření srdečního tepu. Vnitřní paměť má kapacitu
až pro 7 hodinový trénink. Synchronizace naměřených dat do mobilního telefonu nebo
počítače se provádí pomocí Bluetooth®. Pro sporty basketbal, fotbal, tenis, házenou
a americký fotbal jsou připraveny profesionální tréninky na základě srdečního tepu. [18]
Nike+
Nike+ nese označení produktů pro sledování sportovních aktivit od společnosti Nike.
Produkty Nike+ jsou zařazeny do tří kategorií. Do první kategorie spadají produkty
pro sledování běhu. Jedná se o sportovní hodinky Nike+ SportWatch GPS, náramek NIKE+
SportBand, krokoměr Nike+ Sensor, mobilní aplikaci Nike+ Runnig App a aplikaci pro iPod
nano. Druhou kategorii představuje Nike+ Kinect Training, který je určen do zařízení Xbox
360. Poslední kategorií je sledování hry s produktem Nike+ Basketball.
Sportovní hodinky Nike+ SportWatch GPS (Obr. 2.6 vlevo) zaznamenávají trasu,
rychlost, dobu, počet kol a spálených kalorií. Hodinky využívají vestavěný GPS modul
a umožňují připojení krokoměru Nike+ Running Sensor. Krokoměr se vkládá stejně jako
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
24
produkt od Adidas do podrážky boty nebo pomocí klipu na tkaničky boty. Další doplňující
příslušenství může být Polar Wearlink+ pro sledování srdečního tepu.
Mobilní aplikace Nike+ Runnig je určena pro mobilní telefony iPhone nebo mobilní
telefony se systémem Android. Využívají GPS modul integrovaný v telefonu a umožnují
zaznamenávání GPS polohy, času, rychlosti, trasy, spálených kalorií a uražené vzdálenosti.
Naměřená data lze sdílet na sociálních sítí.
Obr. 2.6 Nike+ SportWatch GPS vlevo, Nike+ SportBand vpravo (převzato z [19])
Sportovní náramek Nike+ SportBand (Obr. 2.6 vpravo) a aplikace v iPod nano umožňuje
spojení s krokoměrem Nike+ Running Sensor. Na display je možné zobrazit počet kroků,
uběhnutou vzdálenost, tempo, čas a spálené kalorie. Pomocí Bluetooth®
lze připojit monitor
srdečního tepu. Sportovní náramek má výhodu malého provedení a s funkcí času je umožněno
použití jako klasické hodinky při každodenní činnosti. Výhoda s použitím iPod nano
je vestavěný hudební přehrávač hudby.
Aplikace Nike+ Kinect Training je určená pro Xbox 360 s Kinect senzorem. Kinect
senzor obsahuje kameru, která sleduje každý pohyb a umožnuje tak trénovat v reálném času.
Aplikace Vám nabídne výběr osobního trenéra, cíle a dny tréninku. Podle zadaných kritérií
vybere pro Vás ten nejvhodnější tréninkový plán. V aplikaci je možné měřit kondici
a sledovat svůj pokrok v průběhu času.
Produkt Nike+ Basketball představuje speciální boty s tlakovými senzory připojené
k Nike+ Sport Sensors, který obsahuje 3D akcelerometr zaznamenávající výkonové
a pohybové informace. Tlakové senzory umožňují měření vertikálního skoku pomocí doby
trvání ve vzduchu. Zkreslené informace mohou vzniknout například zavěšení hráče
na koši. [19]
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
25
ActiGraph
Společnost ActiGraph nabízí produkt pro sledování aktivit wGT3X-BT Monitor (Obr. 2.7
vlevo) a pro sledování spánku wActiSleep-BT Monitor (Obr. 2.7 vpravo). K produktům
je možné připojit monitor srdečního tepu Bluetooth® Heart Rate Monitor. Produkty
se převážně využívají pro výzkumné studie fyzické aktivity a poruchy spánku.
Obr. 2.7 wGT3X-BT Monitor vlevo, wActiSleep-BT Monitor vpravo (převzato z [20])
Produkty využívají 3D akcelerometr, který měří v rozsahu ± 8 g. Podle použitého měření
je senzor umístěn na zápěstí, pasu, kotníku nebo stehnu. Při rozsáhlém měření je možné
využít několika zařízení na více umístění. Data jsou ukládána v surových datech s frekvencí
od 30 do 100 Hz. Datové úložiště s kapacitou 2 GB umožňuje 120 dní záznamu. Data jsou
přenášena pomocí Bluetooth® nebo USB rozhraní. Software ActiLife 6 je určen pro analýzu
dat. Z programu je možné určit energetický výdej, definovat a odhalit záchvaty fyzické
aktivity, počet výskytů, čas strávený v záchvatech a celkový počet úrovní záchvatu. Program
dále umožňuje grafické zobrazení spánku, bdění, množství spánku a efektivity spánku pomocí
několika ověřených algoritmů. Z analýzy je možné určit, zda monitorovaný subjekt stál, seděl,
ležel nebo bylo zařízení odstraněno.
ActiGraph řešení lze realizovat v širokém rozsahu výzkumu a klinických situacích,
kde se využívá sledování fyzické aktivity a spánku. Data je možné přenášet na zabezpečený
webový server se vzdáleným přístupem a analyzovat je v reálném čase. [20]
Pohybová analýza horolezce
V článku Movement Analysis in Rock-Climbers [21] je popsán systém pro výpočet
výdeje energie v končetinách horolezce. Systém měření obsahoval deset 3D akcelerometrů
s rozsahem měření ± 3 g a vzorkovací frekvencí 50 Hz. Důležitým parametrem akcelerometrů
byla vysoká rázová odolnost větší jak 5000 g, která zabraní zničení akcelerometru při pádu
horolezce. Data ze senzorů jsou přenášena komunikačním čipem CC2420 s maximálním
přenosem dat 250 kb/s. Předpoklad požadované rychlosti dat pro měření z deseti senzorů byl
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
26
24 kb/s (plus zprávy a vrstva adresování). Součástí experimentu byli tři lezci s různými
zkušenostmi. Každý lezec byl vybaven akcelerometry na každém kotníku, stehně, lopatce,
horní části paže a zápěstí. Při výstupu byly zaznamenány značky pro pozdější analýzu dat.
Značky byly například: začal stoupat, odpočívá, pád a konec stoupání. [21]
Demonstrace ukázala síťový systém senzorů pro monitorování výdeje energie při fyzické
aktivitě. Podobný systém se používá i v dalších projektech jako je například studie dynamiky
auta s detekcí výmolů v silnici.
2.3 Herní ovladače
Použití akcelerometrů, gyroskopů a kamer je rozšířeno v herních ovladačích a mobilních
telefonech, které na základě detekce pohybu umožnují ovládat zařízení. U zařízení pouze
s akcelerometrem lze rotaci určit aproximací směru gravitace jako referenci pro naklonění.
Tato aproximace není spolehlivá a v některých případech jako je rotace v rovině, která
je kolmá na gravitaci nelze rotaci určit. V článku [22] je popsaný test použití kombinace
akcelerometru a gyroskopu při detekci gest. Bylo vybráno 6 žen a 9 mužů, kteří zadali 15 krát
6 různých gest. Výsledkem testu bylo zlepšení až o 4 %.
Většina herních ovladačů je vybavena senzory náklonu. Následující body se zaměřují
na ovladače detekující gesta a pohyby.
PlayStation®
Move
PlayStation®Move na Obr. 2.8 je zobrazen herní ovladač s detekcí pohybu pro herní
konzoli PlayStation®3 od společnosti Sony. Přesné pohyby ovladačem detekuje 3D gyroskop,
3D akcelerometr a 3D magnetometr. Ovladač je vybaven koulí s RGB LED, která je snímána
kamerou. Tato kombinace umožňuje přesné určení hráče v 2D prostoru. K herní konzoli
je možné připojit až 4 ovladače, na kterých je nastavena jiná barva koule. Data ovladače jsou
zpracována 32 bitovým mikrokontrolérem STM32F103VB a přenášena bezdrátovou
technologií Bluetooth®. [23, 24]
Obr. 2.8 PlayStation®Move (převzato z [23])
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
27
Wii Remote
Herní ovladač Wii Remote na Obr. 2.9 vlevo je určen pro herní konzoli Nintendo Wii.
Wii Remote detekuje otočení, výpad, naklonění a třesení. Využívá k tomu 3D akcelerometr
a kameru, která sleduje pozici směřující ovladače k obrazovce. K ovladači je možné připojit
na rozšiřující port ovladač Nunchuck (Obr. 2.9 pravo), který obsahuje analogovou páčku a 3D
akcelerometr. Dalším rozšířením ovladače Wii Remote je Wii MotionPlus, který lze připojit
na spodní část a rozšíří tak ovladač o senzor gyroskopu. Případně je možné zakoupit ovladač
s integrovaným gyroskopem Wii Remote Plus. [25]
Obr. 2.9 Wii Remote vlevo, Nunchuck vpravo (převzato z [25])
V článku [26] je zmíněno, jak Wii Remote kreativně využít k produkci hudby. Tato práce
se zaměřuje na studium gest ruky při dirigování a hraní na bicí. K měření je využit
akcelerometr v ovladači s rozsahem ± 3 g. Na Obr. 2.10 je znázorněno 6 stupňů volnosti:
3 lineární směry X, Y, Z a 3 úhly natočení pitch, roll, yaw. Při hraní na bicí je využito
ovladače Nunchuck.
Obr. 2.10 Stupně volnosti v Wii Remote (převzato z [26])
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
28
2.4 Navigace
GPS moduly je možné použít pouze v neuzavřených prostorech. Využívají se například
jako navigace v dopravě. Další využití naleznou například v oblasti sportu popsané
v kapitole 2.2.
Pro vnitřní navigační systém lze použít akcelerometr a magnetometr. Tato kombinace
je popsána v článku [27]. Jedná se o navigační systém založený na chytrém mobilním
telefonu vybavený fotoaparátem, akcelerometrem a elektronickým kompasem
(magnetometrem). Tato navigace může být použita například ve velkých obchodních domech.
Článek popisuje prototyp aplikace, která naskenuje 2D čárový kód umístěný vedle mapy
(Obr. 2.11).
Obr. 2.11 Vnitřní navigační systém využívající chytrý telefon (převzato z [27])
Na základě adresy zakódované v čárovém kódu je do mobilního telefonu stažena
vektorová mapa a uložena referenční pozice telefonu. Z naměřených dat akcelerometru
aplikace sleduje počet kroků a z magnetometru určuje orientaci uživatele. Krokoměr založený
na akcelerometru byl testován několika muži a ženami s různými tělesnými vlastnostmi.
Průměrná chyba při 20 měření a z průměrného počtu 40 kroků byla 3,8 %. Délka kroků
je nastavena pevně pro každého uživatele a dochází pak k nárůstu chyby. Vylepšení programu
by mohlo být odhadnutí délky kroku podle pravděpodobnostních algoritmů. [27]
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
29
3 Požadavky na detekci pohybu osob
Cílem této práce bylo navrhnout senzor detekující pohyb starších lidí. Senzor by měl být
nositelné zařízení a schopné bezdrátové komunikace s terminálem, který v případě potřeby
zavolá pomoc. Přístroj by měl být schopen detekovat nevyžádanou polohu osoby
a vyhodnocovat pád.
Aby bylo možné detekovat pády, senzor musí být schopen vnímat pohyb a různé
měřitelné vlastnosti spojené s pohybem. Použití tříosého akcelerometru získáme zrychlení
podél třech souřadnicových os. V ose orientované k Zemskému povrchu udává akcelerometr
zrychlení o velkosti 1 g. Úhlové zrychlení a orientaci senzoru je možné měřit pomocí tříosého
gyroskopu. Při použití analogového akcelerometru nebo gyroskopu je nutné převodu
na digitální signál prostřednictvím analogově digitálního (AD) převodníku. Digitální data jsou
následně přepočtena podle nastaveného rozsahu a poté je možné vyhodnocovat algoritmy,
které detekují orientaci, pád a pohybovou aktivitu.
V příloze A jsou uvedeny grafy tří pádů (Obr. A.1), chůze (Obr. A.2) a běhu (Obr. A.3).
Grafy zobrazují závislost velikosti vektoru zrychlení na čase. Z naměřených dat vyplývá,
že pro detekci pádu, chůze a běhu je zapotřebí akcelerometr s rozsahem minimálně ± 4 g.
Klidový stav senzoru odpovídá zrychlení přibližně 1 g, chůzi do 2,5 g a běh 2,5 g a více.
Velikost zrychlení pádu se pohybuje od 2 g a více. Detekce pádu pouze pomocí maximální
hodnoty zrychlení a následného klidového stavu není možná, protože mohou vznikat chybné
detekce při rychlejším pohybu a zastavení, jako je např. zmiňovaná chůze nebo běh.
Pro eliminaci chybných detekcí, je možné vyhodnotit varování pádu až při změně orientace
senzoru.
Tyto požadavky splňuje návrh modulu pro detekci osob popsaný v kapitole 4. Součástí
modulu je tlačítko pro vyvolání a zrušení alarmu. Data z modulu jsou přenášena pomocí
Bluetooth® zařízení např. do terminálu, který zavolá pomoc. Podle umístění senzoru na těle je
možné určit polohu. Pokud je modul použit na hrudníku nebo na boku, je možné určit
vodorovnou polohu (leží) nebo svislou (stojí nebo sedí). Ve vodorovné pozici lze určit, zda
leží na břiše, zádech, pravém nebo levém boku. Pro rozeznání stání nebo sezení by bylo
nejvhodnější použití na stehnu, ale pak by byla znemožněna detekce lehu. Při použití na ruce,
není možné přesně určit polohu měřeného předmětu. V případě použití na hrudníku nebo ruce
by mohl být modul vybaven senzorem tepové frekvence.
V 5. kapitole je popsán software vyhodnocující zmiňované aktivity, události a polohy
s umístěním senzoru na pravém boku.
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
30
4 Návrh modulu pro detekci pohybu osob
Při návrhu jsem se zaměřil na nositelný bezdrátový modul s akcelerometrem
a gyroskopem napájený baterií s možností nabíjení přes USB rozhraní. Vycházel jsem
z dostupných moderních součástek, s co nejmenší spotřebou a velikostí.
Jako senzor pro detekci pohybu jsem zvolil MPU-6050 od výrobce InvenSense, který
obsahuje digitální 3D akcelerometr, 3D gyroskop a DMP™ (Digital Motion Processor™).
Řídícím prvkem modulu je mikrokontrolér STM32F051K8. Bezdrátovou komunikaci
zajišťuje Bluetooth® modul RN41. Modul pro detekci pohybu osob je napájen Li-pol
(Lithium-polymerovou) baterií, kterou lze nabíjet obvodem BQ24032A. Napájecí napětí
je upraveno konvertorem TPS61201 na stabilní hodnotu 3,3 V. Blokové schéma modulu je
znázorněno na Obr. 4.1.
Obr. 4.1 Blokové schéma návrhu modulu pro detekci pohybu osob
Senzor MPU-6050 komunikuje s mikrokontrolérem pomocí sběrnice I2C. Mikrokontrolér
hraje v komunikaci roli master a senzor pohybu jako slave zařízení na sběrnici I2C.
Bluetooth® modul je připojen k mikrokontroléru pomocí sériové komunikace UART.
4.1 Senzor pohybu
Pro univerzální použití byla do modulu použita kombinace gyroskopu a akcelerometru.
Z dostupných součástek byl vybrán MEMS senzor MPU-6050, který obsahuje tříosý
akcelerometr, tříosý gyroskop a teploměr. Součástí je také Digital Motion Processor™
(DMP), který umožnuje provádět složité výpočty mezi akcelerometrem a gyroskopem. Pokud
Bluetooth Akcelerometr
gyroskop Mikrokontrolér
USB Baterie
Měnič
Nabíječka
I2C USART
3,3 V
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
31
k senzoru připojíme přes I2C sběrnici tříosý magnetometr (Obr. 4.2), DMP dokáže
zpracovávat devíti ose algoritmy. Integrovaný teploměr je spíše pro hrubé měření nebo pro
teplotní kompenzaci, protože více než teplotu okolí udává teplotu čipu.
Pro sledování rychlých i pomalých pohybů lze u gyroskopu programově nastavit rozsah
měření na ± 250, ± 500, ± 1000 a ± 2000 ° / sec a akcelerometr v rozsahu měření ± 2 g, ± 4 g,
± 8 g, a ± 16 g. [28]
Obr. 4.2 Připojení senzoru MPU-6050 (převzato z [28])
Senzor pracuje v rozsahu napájecího napětí od 2,375 V do 3,46 V. Při normální provozu
je odběr gyroskopu, akcelerometru a DMP 3,9 mA. V úsporném režimu při vzorkování
1,25 Hz je spotřeba 10 µA a při frekvenci vzorkování 40 Hz je spotřeba 140 µA. Kvůli malým
rozměrům (pouzdro QFN 4 x 4 x 0,9 mm) a malé spotřebě, je senzor vhodný pro mobilní
zařízení a nositelné senzory.
Obr. 4.3 Schéma zapojení MPU-6050
Na Obr. 4.3 je schéma senzoru MPU-6050, které vychází z doručeného zapojení.
Napájení bylo zvoleno na 3,3 V. K mikrokontroléru je senzor připojen přes signály
I2C1_SDA a I2C1_SCL, které slouží pro komunikace po sběrnici I2C. Další signál INTM
je připojen k mikrokontroléru na port PA0. Jedná se o externí přerušení, které nastane v
případě, že jsou data připravena k vyzvednutí mikrokontrolérem.
Sběrnice I2C rozděluje připojená zařízení na řídící (master) a řízené (slave). Master
zahajuje, ukončuje komunikaci a generuje hodinový signál (SCL). Všechna slave zařízení
na sběrnici musí mít individuální adresu o délce 7 nebo 10 bitů. Při 7 bitové adrese umožňuje
3D magnetometr Akcel Gyro
Mikrokontrolér
I2C nebo SPI
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
32
I2C sběrnice obousměrnou komunikaci pomocí dvou vodičů. Jeden je tvořen hodinovým
signálem SCL (Synchronous Clock), který vysílá master a druhý datový signál SDA
(Synchronous Data). Oba signály musí být zapojeny jako otevřené kolektory a připojeny
na pull-up rezistorem ke kladnému napětí, které zajistí vysokou úroveň v klidovém stavu.
Maximální délka vodičů je dána jejich nevyšší přípustnou kapacitou 400 pF.
Obr. 4.4 Časový diagram komunikace po I2C (převzato z [29])
Na Obr. 4.4 je znázorněna komunikace po I2C sběrnici. Přenos je zahájena START bitem
(S) kombinací doběžných hran – napřed SDA a následně SLC. Následně je vyslána 7 bitová
adresa a bit označující čtení nebo zápis ze slave zařízení. Dalším odeslaným bitem
je potvrzovací (ACK – acknowledge). Master zařízení nastaví SLC a SDA na vysokou úroveň
a slave zařízení potvrdí přijetí zprávy nastavením SDA na dolní úroveň. Pokud nedojde
k potvrzení příjmu, je vysílání ukončeno podmínkou STOP. Potvrzovací bit je odeslán
pokaždé, kdy dojde odeslání jednoho byte (8 bitů).
Po odeslání adresy master zařízení a potvrzení slave zařízení přijetí, následuje odesílání
dat mezi zařízeními. Data jsou přenášena po bytech, vždy od nejvýznamnějšího bitu (MSB -
most significant bit) po nejméně významný bit (LSB - least significant bit). Počet
přenesených bitů není omezen, konec nastane podmínkou STOP, po které následuje klidový
stav na obou vodičích. Podmínka STOP nastane náběžnou hranou SLC a následně SDA.
Vysílání lze kdykoliv pozastavit nastavením hodinového signálu SLC na dolní úroveň.
Maximální frekvence signálu SCL je stanovena na 100 kHz nebo 400 kHz.
Sběrnice I2C neumožňuje duplexní přenos dat, v jednom okamžiku je možné vysílání
pouze jednoho zařízení.
klidový stav
SCL
SDA
start
S
stop
P 1. byte další byte
zde lze
zbrzdit
další byte
klidový stav
ACK ACK
MSB LSB
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
33
4.2 Komunikační rozhraní
Pro bezdrátovou komunikaci byl zvolen standard Bluetooth®, který umožňuje sériový
přenos dat. Dělení zařízení Bluetooth® podle výkonu je popsáno v Tab. 4.1.
Tab. 4.1 Dělení Bluetooth®
zařízení podle výkonu[30]
CLASS Dosah
Class 1 - 100 m
Class 2 - 10 m
Class 3 - 1 m
Pro největší dosah zařízení byl zvolen Bluetooth®
modul RN41 Class 1 (Obr. 4.5). RN41
se vyrábí včetně antény, případně je dostupná verze bez antény s označením RN41N.
Pro nositelné zařízení byl použit modul včetně integrované antény.
Obr. 4.5 Bluetooth® modul RN41 (převzato z [30])
RN41 modul je ve verzi Bluetooth® 2.1 s EDR (Enhanced Data Rate), který zlepšuje
spárování zařízení a používá zvýšené bezpečnosti. Napájecí napětí může být v rozsahu od 3 V
do 3,6 V. V Tab. 4.2 jsou popsány využité piny RN41 modulu.
Tab. 4.2 Popis využitých pinů RN41[30]
Pin Název Popis
1, 12, 28, 29 GND Zem
11 VDD 3,3 V
13 UART_RX UART příjem – vstup
14 UART_TX UART vysílání – výstup
19 GPIO Stav, log. 1 pokud je připojen, log. 0 nepřipojen
Na vstup mikrokontroléru je přiveden výstup z modulu GPIO2 (signál STATB
na Obr. 4.6), který signalizuje stav připojení (log. 1 = připojen, log. 0 = odpojen).
Komunikace probíhá asynchronně po USART rozhraní (Universal Synchronous /
Asynchronous Receiver and Transmitter). Modul vysílá data na pinu UART_TX (transmit)
a přijímá na pinu UART_RX (receive).
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
34
Obr. 4.6 Schéma zapojení RN41
Na Obr. 4.7 je ukázka 8-bitového asynchronního přenosu čísla 53 (binárně 0011 0101).
Pokud neprobíhá přijímání ani vysílání, je klidová úroveň na sběrnici log. 1. Vysílání
je zahájeno změnou hodnoty na logickou 0 (tzv. start bitem). Následuje přenos od nejnižšího
bitu po nejvyšší. Přenos je ukončen stop bitem, který má logickou úroveň 1. Po odeslání stop
bitu, je možné zahájit další přenos, který je na obrázku vyznačen tečkovaně.
Obr. 4.7 Asynchronní 8-bitový přenos
4.3 Mikrokontrolér
Z dostupných součástek byl vybrán mikrokontrolér STM32F051x, který má vysoce
výkonné jádro ARM Cortex ™-M0 32-bit RISC pracující až na frekvenci 48 MHz. Hlavním
parametrem při výběru byla spotřeba, velikost, AD převodník, I2C a UART sběrnice.
Napájecí rozsah napětí je od 2 V do 3,6 V. Mikrokontrolér obsahuje interní oscilátor,
12 bitové A/D a D/A převodníky, až 12 časovačů, komunikační rozhraní UART, I2C a SPI.
Řada STM32F051x je vyráběna v několika provedení od 32 vývodů po 64 vývodů. Podle
počtu vývodů jsou zahrnuté různé sady periferií s pouzdry LQFP, UFQFPN nebo UFBGA.
Tato řada se vyrábí s flash pamětí od 16 kB po 63 kB a 8 kB pamětí SDRAM.
1 0 1 0 0 1 1 0
Sta
rt b
it
D0
D1
D2
D 3
D4
D5
D6
D7
Sto
p b
it
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
35
Pro navrhovaný detektor pohybu byl dostatečný mikrokontrolér s 32 vývody a pouzdrem
LQFP32. Při strojním osazování by bylo vhodnější použít mikrokontrolér s pouzdrem
UFQFPN32. Pro univerzální použití byla velikost flash paměti zvolena na 64 kB. Těm
to parametrům odpovídá mikrokontrolér s označením STM32F051K8T6.
Na Obr. 4.8 je znázorněno typické zapojení mikrokontroléru a připojené periférie
k ostatním částem modulu. Mikrokontrolér je napájen napětím 3,3 V (VDD, VDD_2) a stejné
napětí je přivedeno jako referenční napětí pro analogový převodník (VDDA). Analogovým
převodníkem se měří velikost napětí na baterii (AIN). Senzor pohybu je připojen
k mikrokontroléru na I2C směrnici pomocí signálu I2C1_SCL a I2C1_SDA, dále signál
přerušení INTM. Tlačítko (signál BTN) je připojeno na vstup brány PA2. Signalizační led
diody (LED1 a LED2) jsou na výstupu PA3 a PB1. Komunikaci s Bluetooth modulem
zajišťuje sériové rozhraní UART na portu PA9 a PA10. Informace o stavu připojení modulu
(BTN) je připojena na bránu PA4. Stav nabíjecího obvodu signalizuje STAV1 a STAV2,
které jsou připojeny na PA5 a PA6. Veškeré signály jsou podrobněji popsány v následujících
kapitolách. Výběr připojení jednotlivých rozhraní bylo provedeno podle dokumentace [31],
kde jsou popsány funkce jednotlivých bran.
Obr. 4.8 Schéma zapojení mikrokontroléru
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
36
4.4 Napájení
Napájecí blok modulu pro detekci pohybu osob je složen z baterie, nabíjecího obvodu
baterie a napájecího obvodu. Baterii v modulu je možno nabíjet přes USB rozhraní.
4.4.1 Baterie
Požadavkem na napájení byla nabíjecí jednočlánková baterie. Zvolil jsem z dostupných
baterií LP-443440-IS-3 o kapacitě 600 mAh a napětí 3,7 V. Kapacita baterie by měla být
dostatečná na 24 hodin provozu. Základní parametry baterie jsou uvedeny v Tab. 4.3
vycházející z dokumentace baterie [32]. Baterie obsahuje termistor, který má při 25°C odpor
10 kΩ (± 1).
Tab. 4.3 Základní parametry baterie LP-443440-IS-3[32]
Jmenovitá kapacita: 600 mAh (typická)
Jmenovité napětí: 3,7 V
Nabíjecí napětí: 4,20 ± 0,05 V
Maximální nabíjecí proud: 560 mA
Minimální napětí: 2,75 V
Výška: 4,2± 0,2 mm
Šířka: 34 ± 1 mm
Délka: 41 ± 1 mm
Hmotnost: 13 ± 1 g
4.4.2 Nabíjecí obvod
Dle parametrů baterie z Tab. 4.3 a požadavků na nabíjení přes USB rozhraní o napětí
5 V s maximálním proudem 500 mA byl vybrán obvod BQ24032A.
Integrovaný obvod BQ24032A od společnosti Texas Instruments lze nabíjení
jednočlánkové Li-Ion nebo Li-Pol baterie. Jedná se o lineární nabíječku se systémem řízení
spotřeby energie určené pro přenosné aplikace. Základní parametry obvodu jsou uvedeny
v Tab. 4.4.
Tab. 4.4 Základní parametry BQ24032A [33]
Nabíjecí napětí: 4,2 V
Maximální nabíjecí proud: 1,5 A
Maximální vstupní napětí: 16 V
Pouzdro: 20VQFN
Obvod může být napájen USB rozhraním nebo AC adaptérem. AC adaptér by mohl tvořit
obvod pro bezdrátové nabíjení modulu. Výběr vstupního zdroje napětí je určen řídícím
signálem PSEL, který řídí tranzistory Q1 a Q3 (Obr. 4.9). Pokud je vstupní napětí přítomno,
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
37
je přivedeno na výstup pro napájení systému a nabíjení baterie. V případě nepřítomnosti je
na výstup přivedeno napětí z baterie.
Obr. 4.9 Blokové schéma BQ24032A (převzato z [33])
Na Obr. 4.10 je navrhnuté schéma pro nabíjení baterie (vodič VBAT). Baterie je
připojena pomocí tří pinového konektoru X1. Na vstup TS je přiveden termistor, který je
součástí baterie. Schéma a hodnoty kondenzátorů vychází z doporučeného zapojení obvodu
BQ24032A [32]. Popis vývodů obvodu je uvedený v následující Tab. 4.5.
Tab. 4.5 Popis vývodů obvodu BQ24032A [33]
Vývody I/O Popis
Název Číslo
AC 4 I Vstup z AC adaptéru
ACPG 18 O Správné napětí z AC adaptéru
BAT 5,6 I/O Vstup a výstup do baterie
CE 9 I Aktivace obvodu (log. 1 = aktivní)
DPPM 13 I Nastavení dynamického řízení spotřeby
ISET1 10 I/O Nastavení nabíjecího proudu při AC adaptéru
ISET2 7 I Nastavení nabíjecího proudu při USB portu (log. 1 = 500 mA, log. 0 = 100 mA)
LDO 1 O 3,3 V LDO výstup
OUT 15, 16, 17 O Výstup do systému
ACPG 18 O Správné napětí AC nebo USB
PSEL 8 I Výběr zdroje (log 0 = USB, log 1 = AC)
STAT1 2 O Stav nabíjení 1
STAT2 3 O Stav nabíjení 2
TMR 14 I/O Časový program pro nabíjení
TS 12 I/O Vstup termistoru baterie
USB 20 I Vstup z USB
USBPG 19 O Správné napětí na USB
VSS 11 - Zem
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
38
Obr. 4.10 Návrh schématu zapojení BQ24032A
Pro aktivaci obvodu a nastavení maximálního nabíjecího proudu na 500 mA, je třeba
nastavit na vstup CE a ISET2 logickou 1. Vstupní napětí USB (konektor J1) je nastaveno
přivedením PSEL na logickou 0 (GND).
Integrovaný dynamický systém řízení spotřeby (DPPM) umožňuje snížit nabíjecí proud,
aby nedošlo k poklesu výstupnímu napětí do systému. Nastavení DPPM je určeno velikostí
rezistoru připojeného na vstup DPPM, který je možné určit z rovnice:
( 4.1 )
Hranice napětí je stanovena na V(DPPM-REG) = 3,3 V. I(DPPM) = 100 µA a SF = 1,15 jsou
uvedeny v dokumentaci jako typické hodnoty. Výsledná a použitá hodnota rezistoru R(DPPM) je
po dosazení 28,7 kΩ. Rezistor R(TRM) připojený mezi VSS a vstup TMR je možné nastavit
dobu nabíjení z rovnice:
( 4.2 )
Doba při rychlém nabíjení baterie t(CHG) = 3 h. Po dosazení K(TMR) = 0,36 [X] je výsledná
a použitá hodnota rezistoru R(TMR) = 30 kΩ.
Výstupní stavové signály 1 a 2 jsou nastaveny podle Tab. 4.6, které jsou přivedeny
na vstupy mikrokontroléru (STAT1 a STAT2 na Obr. 4.10).
Tab. 4.6 Výstupní stavy nabíjení BQ24032A [33]
Popis STAV1 STAV2
Předběžné nabíjení 1 1
Rychlé nabíjení 1 0
Nabíjení dokončeno 0 1
Nabíjení pozastaveno, porucha, režim spánku 0 0
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
39
4.4.3 Napájecí obvod
Senzor MPU-6050 je možné napájet v rozsahu 2,375 - 3,46 V, Bluetooth® modul
3 - 3,3 V a mikrokontrolér 2 - 3,6 V. Z uvedených napěťových rozsahů bylo zvoleno jednotné
napětí 3,3 V. Pro udržení konstantního napětí je třeba kombinace step-up a step-down měniče,
protože napětí z výstupu obvodu BQ24032A se může pohybovat pod i nad hranici 3,3 V.
Tyto požadavky splňuje obvod TPS61201, který je určen pro napájení obvodů z baterie.
Pro udržení výstupního napětí 3,3 V musí být vstupní napětí v rozsahu 0,3 - 5,5 V. Účinnost
při výstupním proudu 300 mA je více než 90 %. Při nízkých proudech zátěže přechází
do úsporného režimu a udržuje tak vysokou účinnost obvodu. Na Obr. 4.11 je zobrazen návrh
zapojení napájecího obvodu podle doporučeného zapojení z dokumentace [34]. Napětí VIN
je výstupem z BQ24032A oddělen mechanickým vypínačem. Výstupní napětí z měniče je
označeno +3V3.
Obr. 4.11 Návrh schématu zapojení TPS61201
Obvod má ochranu proti zkratu a přehřátí. Další důležitou vlastností je automatické
odpojení od zátěže při dosažení minimální napětí na baterii. Velikost minimálního napětí
baterie je nastaveno rezistory R3 a R4. Doporučená hodnota R4 je 220 kΩ a velikost rezistoru
R2 lze vypočítat z rovnice 4.3.
(
) ( 4.3 )
Velikost VUVLO obvodu je 0,25 V a minimální napětí na baterii VINMIN = 2,75 V.
Po dosazeni do rovnice odpovídá velikost rezistoru R3 = 2,5 MΩ. Ochrana podpětí má velkou
histerezi, aby nedocházelo ke kmitání obvodu. Minimálni velikost napětí UVLO pro zapnutí
je 0,35 V. Hodnota rezistoru R4 byla zvolena 220 kΩ a pro rezistor R2 hodnota 2,5 MΩ.
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
40
4.5 Schéma zapojení
Celkové schéma zapojení uvedené v příloze (Obr. C.1) se skládá z jednotlivých modulů
popsaných v předešlých kapitolách a rozhraní na Obr. 4.12.
Obr. 4.12 Rozhraní modulu
Na digitální vstup mikrokontroléru PA2 je připojeno tlačítko, které může sloužit
k vyvolání SOS poplachu do terminálu. Dále jsou připojeny na výstupy PB1 a PA3
signalizační led diody informující o stavu detektoru.
Velikost napětí na baterii je měřeno analogovým vstupem na mikrokontroléru, který
je dimenzován na maximální napětí 3,6 V. Vstupní napětí bylo třeba upravit napěťovým
děličem (rezistory R8 a R11). Velikost výsledného napětí lze odvodit z následující rovnice:
( 4.4 )
Na Obr. 4.12 vpravo jsou testovací pady TP1 – TP6, které slouží k programování
a debuggování mikrokontroléru.
4.6 Návrh plošného spoje
Návrh desky plošného spoje, dále jen DPS, byl vytvořen v programu EAGLE 6.5.0
s FREE licencí. Jednotlivé součástky byly vybrány podle dostupnosti a velikosti pro možné
ruční pájení. Dalším kritériem výběru byly součástky pro povrchovou montáž s osazením
na jedné straně. Kondenzátory a rezistory byly zvoleny s nejmenším pouzdrem 0402. Velikost
DPS byla navrhnuta na stejnou velikost jako baterie, aby bylo možné přiložení baterie na
spodní stranu DPS. Při strojním osazení součástek by bylo možné použít mikroprocesor
s pouzdrem UFQFPN32 a zmenšit velikost mezer mezi součástky. Při jednostranném osazení
součástek by velikost DPS mohla být 41 x 24 mm.
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
41
Na Obr. 4.13 je znázorněn osazovací výkres DPS. Vlevo nahoře se nachází Bluetooth®
modul, který přesahuje anténní část plošného spoje. Vpravo nahoře je umístěn konektor mikro
USB pro nabíjení baterie a pod ním se nachází vypínač modulu. V Tab. B.1 uvedené
v příloze B je uveden seznam použitých součástek.
Obr. 4.13 Osazovací výkres strana TOP, v měřítku 2:1
Na Obr. 4.14 vlevo je návrh DPS vrchní strany (TOP) a na obrázku vpravo se nachází
spodní strana (BOTTOM). Na vrchní straně je rozlitá měď s potenciálem země. Spodní strana
je rozdělena podle napěťových úrovní: vpravo, kde se objevuje napětí na baterii a nabíjecí
napětí z USB má potencionál země a zbylá část je připojena na kladné napětí 3,3 V.
Obr. 4.14 DPS strana TOP (vlevo) a BOTTOM (vpravo), v měřítku 18:10
Šířka vodivých cest byla zvolena převážně na 0,4 mm. Od plošek integrovaných obvodu
bylo nutné použít šířku 0,27 mm, aby byla zachována minimální šířka izolačních mezer
150 µm. Návrh plošného spoje o velikosti 4,1 x 3,3 mm uveden v příloze C.
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
42
5 Software
Tato kapitola popisuje software pro detektor pohybu popisovaný kapitole 3 a 4. Jedná
se o program mikrokontroléru psaný v jazyce C ve vývojovém prostředí µVision. Kompletní
zdrojové kódy jsou uvedeny v příloze D. V programu jsou využity knihovny periférií
mikrokontroléru a knihovny pro práci se senzorem MPU-6050.
5.1 Inicializace
Při spuštění programu je nejprve provedena inicializace vnitřních systémových hodin,
které vyvolají přerušení každou 1 ms. Toto přerušení se využívá pro zjištění aktuálního času,
dekrementace hodnoty při čekání a spouštění pravidelných funkcí.
Následně je provedena inicializace všech vstupních a výstupních bran, které jsou popsány
v kapitole 4. Ke každému vstupu je přiřazeno přerušení programu a při každé změně
na vstupu je vykonán podprogram přerušení. V podprogramech je řešena změna stavu
nabíjení, připojení Bluetooth®, délka stisknutí tlačítka, zpracování příkazu přes sériovou
linku a načtení dat z MPU-6050.
V senzor pohybu MPU-6050 je aktivován akcelerometr, gyroskop a DMP.
Pro akcelerometr byl nastaven rozsah ± 8 g a pro gyroskop výchozí nastavení ± 2 000 °/s.
DMP vyvolá přerušení pokaždé, když budou k dispozici nová data. K tomu bylo zapotřebí
nastavit frekvenci pro výběr dat z buffru na 5 Hz. Další aktivovanou vlastnosti DMP byla
kalibrace gyroskopu, která je provedena po 8 s nečinnosti.
Aby bylo zabráněno k zaseknutí programu, je aktivován watch dog s časem 5 s.
Při každém vykonaném cyklu je nutné watch dog obnovit, jinak dojde k automatickému
restartování mikrokontroléru. Hranice 5 s může být snížena, pokud nebude zapotřebí spouštět
testování senzoru pohybu.
5.2 Detekce pohybu
Procesor v MPU-6050 zpracuje naměřená data z akcelerometru a gyroskopu a následně
vyvolá přerušení. Ke zpracování dat využívá implementované matematické funkce
pro výpočet orientace v 3D prostoru. Po přerušení jsou data načtena funkcí dmp_read_fifo,
která vrací přepočtenou hodnotu gyroskopu, akcelerometru a kvaternion.
Z kvaternionu je možné určit velikost gravitace (funkcí getGravity) a tu následně odečíst
od velikosti zrychlení naměřeného akcelerometrem. Pro výpočet Eulerových úhlů Yaw, Pitch,
Roll byla použita funkce getYawPitchRoll s parametry kvaternionu a gravitace.
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
43
Přepočtená data jsou předána do vytvořené knihovny motionDetection.c funkcí
md_add_sample. V této funkci se data ukládají do kruhového buffru a jsou volány následující
algoritmy pro detekci pohybu.
Detekce aktivity
Detekce aktivity je určena na základě aritmetického průměru velikosti vektoru zrychlení
(avg) a směrodatné odchylky (std). Limity pro algoritmus na Obr. 5.1 byly stanoveny
měřením, aby byly pokryty všechny rozsahy hodnot pro aktivitu odpovídající klidu, chůzi
a běhu.
Obr. 5.1 Vývojový diagram detekce aktivity
Detekce pádu
Pro vyhodnocení detekce pádu předchází vyhodnocení potencionálního pádu, který
nastane překročením limitu pro pád. Limit byl nastaven na hodnotu 1 g (bez gravitace), který
vychází z grafu Obr. A.1.
Po vyhodnocení potencionálního pádu a klidové aktivity je provedena kontrola změny
orientace. Pokud nastala změna orientace, je odeslána zpráva informující o stavu pádu. Pokud
klidová poloha nenastane do 15 s nebo nedojde ke změně orientace, stav potencionálního
pádu je zrušen. Změny stavu jsou automaticky odesílány zprávami, uvedené v Tab. 5.1.
avg >= 0,6
Detekce
aktivity
A = žádná
A = běh
Návrat(A)
avg > 0,13
A = chůze
avg > 0,08 && std > 0,03
A = chůze
Ne
Ne
Ano
Ano Ano
Ne
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
44
Detekce orientace
Detekce orientace využívá vypočtené Eulerovy úhly (Yaw, Pitch, Roll), které udávají
náklon vzhledem k jiné soustavě. Dalším parametrem je accel.Z, který představuje velikost
zrychlení změřeného akcelerometrem v ose Z. Následující algoritmus na Obr. 5.2
vyhodnocuje polohu měřeného předmětu v případě umístění senzoru na pravém boku.
Obr. 5.2 Vývojový diagram detekce orientace
Návratová hodnota orientace je porovnána s předchozí polohou, a pokud je v této poloze déle
jak 2 s, tak je odeslána zpráva se změnou orientace uvedené v Tab. 5.1.
Tab. 5.1 Zprávy při změně pohybu
Zpráva Popis
O<stav> Orientace:
0 – neurčitá
1 – stání nebo sezení
2 – ležení na zádech
3 – ležení na břiše
4 – ležení na levém boku
5 – ležení na pravém boku
A<stav> Aktivita:
0 – žádná
1 – chůze
2 – běh
F<stav> Pád:
0 – žádný (nenastal nebo zrušen)
1 – potencionální pád při překročení limitu
2 – pád (v klidu a změna orientace)
Roll > -0,5
Detekce
orientace
O = neurčitá
O = sedí / leží
Návrat(O)
Pitch < -1
O = leží na zádech
Pitch > 1
O = leží na břiše
accel.Z > 0
O = leží na levém boku
O = leží na pravém
boku
Ano
Ano Ano Ano
Ne
Ne Ne Ne
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
45
5.3 Signalizace
Detektor pohybu obsahuje červenou (LED1) a žlutou (LED2) led diodu. Přerušované
blikání červené led diody signalizuje nízký stav baterie pod 3,71 V, které odpovídá přibližně
10 % kapacity. Určení napětí pro kapacitu 10 % baterie bylo provedeno z měření na Obr. E.1.
Automatické zprávy jsou odeslány pro kapacity baterie 100 %, 70 %, 40 % a 10 %. Trvalé
rozsvícení LED2 signalizuje nabíjení baterie a trvalé svícení LED1 nabití baterie. Blikání
LED2 v intervalu 100 ms je signalizováno odpojení detektoru od terminálu, v opačném
případě LED2 blikne každé 2 s. Vypnuté LED1 a LED2 signalizuje vypnutý stav modulu.
5.4 Komunikace
Komunikace probíhá příkazy přes sériové rozhraní Bluetooth®
. Seznam příkazů
a odpovědí je zobrazen v následující tabulce Tab. 5.2. Pokud není příkaz nalezen, je odeslána
odpověď NOCMD. Pro příkazy, které mění nastavení detektoru je hodnota odpovědi OK
a v případě chyby ERROR. Každý přijatý a odeslaný příkaz je oddělený znakem \n,
představující konec řádku.
Tab. 5.2 Komunikace s detektorem pohybu
Příkaz Odpověď Popis
B V<napětí>;<%> Napětí baterie ve voltech s desetinnou tečkou, kapacita baterie po 30%
C C<stav > Stav nabíjeni:
C0 – vypnuto
C1 – dokončeno
C2 – rychlé nabíjení
C3 – předběžné nabíjení
P P<počet>;<délka> Krokoměr
počet – udává počet kroků
délka – délka chůze v milisekundách
R - Resetování stavu krokoměru
T T<teplota> Teplota na MPU-6050 v °C
TEST R<stav> Spustí test akcelerometru, gyroskopu a magnetometru (není využit)
stav – představuje binární hodnotu splněného testu akcelerometru, gyroskopu:
R7 = 111b = (magnetometer prošel)(akcelerometer prošel)(gyroskop prošel)
DM - Zapne nebo vypne odesílání hodnot z MPU-6050 ve formátu:
$<x>;<y>;<z> – hodnoty akcelerometru
Y<yaw>;<pitch>;<roll> – Eulerovy úhly
DA - Zapne nebo vypne odesílání hodnot pro ladění detekce aktivity
S<průměrná hodnota zrychlení>;<střední odchylka zrychlení>
DB - Zapne nebo vypne automatické odesílání po 2 s stav baterie
+ - Zobrazení odesílaných zpráv (aktivace / deaktivace)
Pokud dojde ke změně stavu nabíjení je automaticky odeslána odpověď typu C<stav>,
která je uvedena v předchozí tabulce. Při stisknutí tlačítka je odeslána zpráva B1 pro krátký
stisk a B2 pro stisk delší jak 500 ms. Další automatické zprávy při změně pohybu byly
popsány v tabulce Tab. 5.1.
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
46
Nastavení Bluetooth®
modulu
Bezdrátový modul Bluetooth je možné konfigurovat samostatně přes sériovou linku.
Spuštění konfiguračního módu je proveden příkazem $$$. Odesláním --- je konfigurační mód
zastaven a může probíhat komunikace s detektorem pohybu. Základní přehled konfiguračních
příkazů je uvedený v Tab. 5.3. Kompletní programový manuál je k dispozici u výrobce
Microchip. [30]
Tab. 5.3 Konfigurační příkazy RN-41 [30]
Příkaz Popis Výchozí hodnota
SM,<hodnota> Nastavení módu:
0 – slave mód
1 – master mód
2 – Trigger mód
3 – Automatické spojení v master módu
4 – Automatické spojení v DRT módu
5 – Automatické spojení v žádném módu
4
SF,1 Nastavení do továrního nastavení -
SN,<hodnota> Nastavení jména zařízení -
SP,<hodnota> Nastavení pinu při párování 1234
SU,<hodnota> Změna nastavení rychlosti spojení: 1200; 2400; 4800;
9600; 19,2; 28,8; 38,4; 57,6; 115K; 230K; 460K; nebo
921K
115 200
SW,<hodnota> Nastavení sniff módu pro snížení spotřeby. Data jsou
odesílána se zpožděním:
0x0000 = 0 ms
0x0020 = 20 ms
0x0050 = 50 ms
0x00A0 = 100 ms
0x0320 = 500 ms
0x0640 = 1 s
0
D Zobrazí základní konfiguraci -
E Zobrazí rozšířenou konfiguraci
GB Zobrazení adresy zařízení
+ Zobrazení odesílaných zpráv (aktivace/deaktivace) vypnuté
Pro komunikaci se využívá výchozí nastavení (Obr. 5.3) s přenosovou rychlostí
115 200 bit/s.
Obr. 5.3 Nastavení sériového portu
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
47
6 Realizace a vyhodnocení
Detektor pohybu osob byl realizován podle návrhu popsán v kapitole 4. Software
programu popsaný v kapitole 5 byl nahrán pomocí programátoru ST-Link. Programátor
je připojen k testovacím padům TP1 - TP6 popisované v kapitole 4.3. Na Obr. 6.1 se nachází
fotografie detektoru pohybu, vpravo je ukázka orientace použití na pravém boku s orientací
Bluetooth® nahoru.
Obr. 6.1 Detektor pohybu osob (vlevo v měřítku 8:5)
Při návrhu realizovaného prototypu bylo vynecháno u MPU-6050 připojení VLOGIC
a AD0 ke kladnému napětí 3,3 V. Dále k rezistoru R7 bylo nutné přiřadit paralelně
kondenzátor C15 o kapacitě 2,2 nF. Tato kombinace zajistí zpoždění kontroly DPPM, která
při připojení baterie neodpojí výstupní napětí obvodu BQ24032A. Dalším řešením by bylo
zmenšení rezistoru R7 a vyřazení DPPM. DPPM není bezpodmínečně nutné s kombinací
TPS61201, protože má pracovní napětí od 0,3 V. Tyto úpravy byly zařazeny do návrhu
popisované v kapitole 4.
Pro vyhodnocení dat ze senzoru byl vytvořen program v LabView 2013. Na Obr. F.1
v příloze je zobrazena část programu, která zobrazuje stavy detektoru a vykresluje data
do grafů. Součástí programu je také ladící část zobrazující Eulerovy úhly, zrychlení, velikost
průměrného zrychlení a směrodatnou odchylku. V příloze F se nachází program v LabView,
který potřebuje ovladače pro sériovou komunikaci (NI-VISA drivers).
Modul detektoru má přibližně celkový odběr 40 mA. Pokud není využívaný ladící
program, je možné nastavit pro Bluetooth® sniff mód, při kterém klesne odběr modulu
přibližně na 11 mA. V tomto módu jsou odesílány zprávy se zpožděním až 1 s. Testováno
bylo také uspání mikrokontroléru a senzoru při nečinnosti s přibližným odběrem 3 mA. Tento
odběr tvoří připojené Bluetooth® k terminálu.
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
48
Závěr
V první části diplomové práce jsou shrnuty dostupné metody pro detekci pohybu osob.
Práce byla převážně zaměřena na akcelerometry, gyroskopy a magnetometry. Akcelerometry
například umožňují měřit zrychlení, náklon, gravitaci a detekci kolize. Gyroskopy je možné
měřit úhlovou rychlost, tzn. rotaci kolem měřených os. Magnetometry lze měřit orientaci
vzhledem k magnetickému poli Země.
Druhá teoretická část se zabývá příklady použití detekce pohybu osob převážně pomocí
akcelerometrů, gyroskopů, magnetometrů a GPS. Uplatnění naleznou většinou v medicíně
a sportovních zařízeních. V medicíně umožňuje sledovat aktivitu osob, jako je například třes,
nesprávné držení těla a srdeční funkci. Při sportu je měřen energetický výdej, počet kroků
a zaznamenávání trasy. V neposlední řadě najdeme uplatnění u herních ovladačů, navigací
a jiných výrobků spotřební elektroniky.
Praktická část práce se zabývá detektorem pohybu osob pro starší populaci lidí, u kterých
mohou pády způsobit vážné zdravotní problémy jako zlomeniny či bezvědomí. V tomto
případě si nejsou schopni zavolat sami pomoc a mohou být objeveni až za několik dní.
Požadavky na takový detektor je akcelerometr s rozlišením ± 2 g a více. V případě použití
detektoru na vyhodnocení běhu je zapotřebí akcelerometr s rozlišením ± 4 g. Pro vyhodnocení
falešných pádu je vhodné doplnit gyroskopem, pomocí kterého je měřena změna orientace.
Dalším požadavkem je signalizace, která přivolá zraněnému pomoc. Signalizace může být
řešena bezdrátovým spojením s terminálem nebo přímo s GSM bránou, která upozorní
příbuzného, kamaráda či ošetřovatele.
Navrhnutý a realizovaný modul je nositelné zařízení s 3D akcelerometrem
a 3D gyroskopem. Jako nositelné zařízení obsahuje baterii Li-pol a nabíjecí část pomocí USB.
Odesílání stavu do terminálu, který vyhodnocuje stavy detekce, je realizováno bezdrátovou
komunikací Bluetooth®. Součástí modulu je tlačítko pro přivolání, případně zrušení pomoci.
Tento modul splňuje zmiňované požadavky na detekci pohybu starších osob a je možné jej
využít také jako univerzální bezdrátový senzor s akcelerometrem a gyroskopem.
Software navržený pro detektor pohybu osob vyhodnocuje pomocí algoritmů pohybovou
aktivitu měřeného předmětu, která odpovídá úrovni chůze, běhu a klidu. Dalším
vyhodnocením tvoří orientace, která vychází z umístění detektoru na pravém boku. Pak
je možné detektovat stání či sezení, leh na zádech, břiše, levém nebo pravém boku. Součástí
senzoru pohybu je krokoměr, který počítá počet kroků a dobu chůze. Nejdůležitější funkce
je detekce pádu, který je vyhodnocen při zrychlení větší jak 1 g. Potlačení falešných pádu je
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
49
řešeno detekcí klidové aktivity a změny orientace. V tomto případě je odeslán stav
upozorňující pád. Zrušení alarmu pádu je možné tlačítkem na modulu. Držením tlačítka může
přivolat pomoc i v případě, že nebyl pád detekován.
Pro vyhodnocení stavu byl vytvořen program v LabView, který signalizuje potencionální
a skutečné pády, pohybovou aktivitu a orientaci. Ve vizualizačním programu je možné
načtení dat krokoměru, napětí na baterii, teploty na senzoru a spuštění testu akcelerometru
a gyroskopu.
Měření pádů bylo nejprve provedeno na limit 1,5 g. V tomto případě nebyly rozpoznány
menší pády. Následující testování s limitem 1 g bylo provedeno úspěšně pro pády vzad, vpřed
a na bok. Pro použití detektoru v praxi, by bylo nutné provést měření přímo na starší populaci
a přizpůsobit detektor terminálu, s kterým bude komunikovat.
Vylepšením modulu by mohlo být doplněním zvukové signalizace, která by uživatele
upozornila před voláním pomoci. Pokud by nepotřeboval externí pomoc, zrušil by alarm
tlačítkem na senzoru. V této verzi může být zvuková signalizace realizována v terminálu.
Dalším upozorněním by mohl být například nebezpečný náklon, ohrožující sledovanou osobu
pádem.
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
50
Seznam literatury a informačních zdrojů
[1] VOJÁČEK, Antonín. Akcelerometry - integrované snímače od AD. [online].
[cit. 2013-12-05]. Dostupné z: http://automatizace.hw.cz/clanek/2005020601
[2] HUSÁK, Miroslav. 8. Akcelerometry. [online]. [cit. 2013-12-05]. Dostupné
z: http://www.micro.feld.cvut.cz/home/X34SES/prednasky/08%20Akcelerometry.pdf
[3] VODIČKA, Antonín. Principy akcelerometrů - 1. díl - Piezoelektrické. [online].
[cit. 2013-12-10]. Dostupné z: http://automatizace.hw.cz/clanek/2007011401
[4] JURÁNEK, Martin. Prostředky automatického řízení. [online]. [cit. 2013-12-10].
Dostupné z: http://homel.vsb.cz/~jur286/prostredky_aut_rizeni/preklad.htm
[5] BURG, Aaron, Azeem MERUANI, Bob SANDHEINRICH a Michael WICKMANN.
MEMS gyroscopes and their applications. [online]. [cit. 2013-12-12]. Dostupné
z: http://clifton.mech.northwestern.edu/~me381/project/done/Gyroscope.pdf
[6] LUCASVB. 3D Gyroscope-no text. [online]. [cit. 2013-12-17]. Dostupné
z: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:3D_Gyroscope-no_text.png
[7] Gyroscopes: A Technical Description and Guide. [online]. [cit. 2013-12-17]. Dostupné
z: http://www.personal.psu.edu/jps5040/blogs/202c/Gyroscopes.pdf
[8] SOLIDSTATE TECHNOLOGY. Introduction to MEMS gyroscopes. [online].
[cit. 2013-12-12]. Dostupné z: http://electroiq.com/blog/2010/11/introduction-to-
mems-gyroscopes/
[9] D. Skula: Základní prvky konstrukce elektronického kompasu. elektrorevue, [online].
[cit. 2013-12-14]. Dostupné z: http://elektrorevue.cz/cz/clanky/ostatni-1/25/zakladni-
prvky-konstrukce-elektronickeho-kompasu-2/
[10] GENERAL INFORMATION ON GPS. U.S. COAST GUARD NAVIGATION
CENTER.NAVIGATION CENTER [online]. [cit. 2013-12-14]. Dostupné
z: http://www.navcen.uscg.gov/?pageName=GPSmain
[11] NATIONAL COORDINATION OFFICE FOR SPACE-BASED POSITIONING,
Space Segment. Gps: Official U.S. Government information about the Global
Positioning System (GPS) and related topics [online]. [cit. 2013-12-14]. Dostupné
z: http://www.gps.gov/systems/gps/space/
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
51
[12] OUCHI, Kazushige a Miwako DOI. Smartphone-based monitoring system for
activities of daily living for elderly people and their relatives etc. Proceedings of the
2013 ACM conference on Pervasive and ubiquitous computing adjunct publication -
UbiComp '13 Adjunct [online]. New York, New York, USA: ACM Press, 2013, s. 103-
106 [cit. 2014-04-14]. DOI: 10.1145/2494091.2494120. Dostupné
z: http://dl.acm.org/citation.cfm?doid=2494091.2494120
[13] HOFF, Lars, Kristin IMENES, Lars A. FLEISCHER, Per Steinar HALVORSEN,
Andreas ESPINOZA, Espen W. REMME, Ole Jakob ELLE a Erik FOSSE.
Microsensors for continuous monitoring of heart function. Proceedings of the Fifth
International Conference on Body Area Networks - BodyNets '10 [online]. New York,
New York, USA: ACM Press, 2010, s. 117- [cit. 2014-04-14].
DOI: 10.1145/2221924.2221948. Dostupné
z: http://dl.acm.org/citation.cfm?doid=2494091.2494120
[14] LEMOYNE, Robert, Timothy MASTROIANNI a Warren GRUNDFEST. Wearable
and wireless accelerometer systems for monitoring Parkinson’s disease patients—A
perspective review. Advances in Parkinson's Disease [online]. 2013, vol. 02, issue 04,
s. 113-115 [cit. 2014-04-20]. DOI: 10.4236/apd.2013.24021. Dostupné
z: http://www.scirp.org/journal/PaperDownload.aspx?DOI=10.4236/apd.2013.24021
[15] LEMOYNE, Robert, Timothy MASTROIANNI a Warren GRUNDFEST. Wireless
accelerometer configuration for monitoring Parkinson’s disease hand tremor.
Advances in Parkinson's Disease [online]. 2013, vol. 02, issue 02, s. 62-67 [cit. 2014-
04-20]. DOI: 10.4236/apd.2013.22012. Dostupné
z: http://www.scirp.org/journal/PaperDownload.aspx?DOI=10.4236/apd.2013.22012
[16] LIN, Shu-Hsien. Proceedings of the 14th international ACM SIGACCESS conference
on Computers and accessibility - ASSETS '12 [online]. New York, New York, USA:
ACM Press, 2012, s. 293- [cit. 2014-04-14]. DOI: 10.1145/2384916.2385000.
Dostupné z: http://dl.acm.org/citation.cfm?doid=2384916.2385000
[17] Krokoměry | husky-obchod.cz. [online]. [cit. 2014-04-16]. Dostupné
z: http://www.husky-obchod.cz/outdoorove-doplnky/krokomery
[18] MiCoach | adidas. [online]. [cit. 2014-04-17]. Dostupné
z: http://www.micoach.cz/prislusenstvi
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
52
[19] Nike+. [online]. [cit. 2014-04-19]. Dostupné z: https://secure-
nikeplus.nike.com/plus/products
[20] Products | ActiGraph. [online]. [cit. 2014-04-20]. Dostupné
z: http://www.actigraphcorp.com/products/
[21] SCHMID, Thomas, Roy SHEA, Jonathan FRIEDMAN a Mani B. SRIVASTAVA.
P565-smith.pdf. Proceedings of the 6th international conference on Information
processing in sensor networks - IPSN '07 [online]. New York, New York, USA: ACM
Press, 2007, s. 567- [cit. 2014-04-14]. DOI: 10.1145/1236360.1236443. Dostupné
z: http://portal.acm.org/citation.cfm?doid=1236360.1236443
[22] KRATZ, Sven, Michael ROHS a Georg ESSL. Combining acceleration and gyroscope
data for motion gesture recognition using classifiers with dimensionality constraints.
Proceedings of the 2013 international conference on Intelligent user interfaces - IUI
'13 [online]. New York, New York, USA: ACM Press, 2013, s. 173- [cit. 2014-04-21].
DOI: 10.1145/2449396.2449419. Dostupné z:
http://dl.acm.org/citation.cfm?doid=2449396.2449419
[23] PlayStation®Move Motion Controller | PS3™ Accessories - PlayStation®. [online].
[cit. 2014-04-22]. Dostupné z: http://us.playstation.com/ps3/accessories/playstation-
move-motion-controller-ps3.html
[24] Move Motion Controller - PS3 Developer wiki. [online]. [cit. 2014-04-22]. Dostupné
z: http://www.psdevwiki.com/ps3/Move_Motion_Controller
[25] Accessories Page 1 - Nintendo.com.au. [online]. [cit. 2014-04-22]. Dostupné
z: http://www.nintendo.com.au/wii-accessories-page1
[26] WONG, Elaine L., Wilson Y. F. YUEN a Clifford S. T. CHOY. Designing Wii
controller. Proceedings of the 6th International Conference on Advances in Mobile
Computing and Multimedia - MoMM '08 [online]. New York, New York, USA: ACM
Press, 2008, s. 82- [cit. 2014-04-22]. DOI: 10.1145/1497185.1497205. Dostupné
z: http://portal.acm.org/citation.cfm?doid=1497185.1497205
[27] SERRA, Alberto, Davide CARBONI a Valentina MAROTTO. Indoor pedestrian
navigation system using a modern smartphone. Proceedings of the 12th international
conference on Human computer interaction with mobile devices and services -
MobileHCI '10 [online]. New York, New York, USA: ACM Press, 2010, s. 397-
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
53
[cit. 2014-04-23]. DOI: 10.1145/1851600.1851683. Dostupné
z: http://portal.acm.org/citation.cfm?doid=1851600.1851683
[28] MPU-6000/6050 Six-Axis (Gyro + Accelerometer) MEMS MotionTracking™
Devices. [online]. 2014 [cit. 2014-04-06]. Dostupné
z: http://www.invensense.com/mems/gyro/mpu6050.html
[29] PINKER, Jiří. Sériová sběrnice IIC (Inter-Integrated Circuit Bus): Podklady
k přednáškám. [online]. Plzeň [cit. 2014-04-06].
[30] RN41/RN41N Class 1 Bluetooth Module. [online]. 2013 [cit. 2014-04-06]. Dostupné
z: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/rn-41-ds-v3.42r.pdf
[31] STM32F051xx. [online]. 2014 [cit. 2014-04-06]. Dostupné z: http://www.st.com/st-
web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/DM00039193.pdf
[32] Specification of Li-polymer Rechargeable Battery: Model No.: LP-443440-1S-3.
[online]. 2012 [cit. 2014-04-06]. Dostupné
z: http://www.farnell.com/datasheets/1666649.pdf
[33] SINGLE-CHIP CHARGE AND SYSTEM POWER-PATH MANAGEMENT IC
(bqTINY™): Check for Samples: bq24030, bq24031 bq24032A, bq24035, bq24038.
[online]. 2009 [cit. 2014-04-06]. Dostupné z: www.ti.com/lit/ds/symlink/bq24032a.pdf
[34] LOW INPUT VOLTAGE SYNCHRONOUS BOOST CONVERTER WITH 1.3-A
SWITCHES: Check for Samples: TPS61200, TPS61201, TPS61202. [online]. 2013
[cit. 2014-04-06]. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps61201.pdf
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
I
Přílohy
Příloha A – Měření zrychlení
Obr. A.1 Graf zrychlení při pádů
Obr. A.2 Graf zrychlení při chůzi
Obr. A.3 Graf zrychlení při běhu
0
1
2
3
4
5
6
7
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Zryc
hle
ní [
g]
Čas [s]
Pády
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Zryc
hle
ní [
g]
Čas [s]
Chůze
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20 25 30 35
Zryc
hle
ní [
g]
Čas [s]
Běh
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
II
Příloha B – Seznam součástek
Počet Označení Hodnota Pouzdro Popis
3 C1, C2, C4 10 µF / 6,3V C0805 Keramický kondenzátor
3 C3, C8, C10 1 µF / 16 V C0402 Keramický kondenzátor
1 C13, C15 2,2 nF / 50 V C0402 Keramický kondenzátor
5 C5, C6, C7,
C11, C14 100 nF / 25 V C0402 Keramický kondenzátor
2 C9, C12 10 nF / 16 V C0402 Keramický kondenzátor
1 IC1 BQ24032A QFN-20 BQ240320
1 IC2 TPS61201 QFN-10 TPS61201
1 IC3 STM32F051K8T6 LQFP-32 STM32F051K8T6T
1 IC4 BLUETOOTH-RN41 13,4 x 25,8 x 2 mm BLUETOOTH-RN41
1 IC5 MPU-6050 QFN-24 MPU-6050
1 L1 2,2 µH 3 x 3 x 1,5 mm ELLVGG2R2N-VXG
1 LED1 2.5 mcd, 1.8 V, 2 mA 0805 LED žlutá
1 LED2 2.5 mcd, 1.8 V, 2 mA 0805 LED červená
1 R1 30 kΩ R0402 Rezistor
1 R11 4,7 kΩ R0403 Rezistor
2 R2, R5 100 kΩ R0404 Rezistor
1 R3 2,2 MΩ R0405 Rezistor
1 R4 220 kΩ R0406 Rezistor
1 R6 1 kΩ R0407 Rezistor
1 R7 28,7 kΩ R0408 Rezistor
1 R8 10 kΩ R0409 Rezistor
2 R9, R10 750 Ω R0410 Rezistor
1 S1 JS102011SAQN Přepínač
1 SW1 SCHURTER-LSH-1301.9314 Tlačítko
1 J1 USB Micro B Konektor mikro USB
1 X1 SM03B-SRSS-TB 3-pin. konektor na DPS
1 SHR-03V-S-B 3-pin. konektor
3 SSH-003T-P0.2 Piny do konektoru
1 LP-443440-IS-3 Baterie
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
III
Příloha C – Schéma a návrh DPS
Schéma a návrh DPS se nachází ve složce Eagle na přiloženém CD.
Obr. C.1 Návrh schématu detektoru pohybu osob
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
IV
Příloha D – Software pro mikrokontrolér
Software pro mikrokontrolér se nachází ve složce Detektor na přiloženém CD.
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
V
Příloha E – Měření kapacity baterie
Obr. E.1 Graf měření kapacity baterie
2,7
2,9
3,1
3,3
3,5
3,7
3,9
4,1
4,3
01
02
03
04
05
06
07
08
09
01
00
Napětí na baterii [V]
Kap
acit
a [%
]
Kap
acit
a b
ate
rie
3D akcelerometr/gyroskop pro detekci pohybu osob Jan Záruba 2014
VI
Příloha F – Vyhodnocení v programu LabView
Vyhodnocující software se nachází ve složce LabView na přiloženém CD.
Obr. F.1 Vyhodnocení detektoru v LabView